《人类科学技术史-331》广义相对论的实验验证

广义相对论的实验验证

根据广义相对论的理论，爱因斯坦预言了三个重要的效应。这三个效应都陆续得到了实验的验证：

1.水星轨道近日点的进动

行星绕太阳的运行轨道问题就是粒子绕力心作束缚态运动时的轨道问题。根据牛顿理论可以求得行星绕太阳运行的椭圆轨道方程，作为力心的太阳处于行星椭圆轨道的一个焦点上，轨道上离太阳最近的点即近日点，焦点和近日点均在椭圆轨道的长轴上。考虑到其他行星的影响，每个行星绕太阳转动一个周期，运行轨道的长轴就会绕一个焦点(太阳）发生缓慢的转动，近日点也就不断前移。这种现象被称为"行星轨道近日点的进动"。1845年，法国天文学家勒维列(1811-1877）在观测水星轨道近日点的进动时发现，考虑太阳系中所有其他行星对水星的影响后，轨道近日点进动的观测值与理论值每百年要相差38秒。1882年，美国天文学家纽康重新测定了这个差值为43秒。(现测值为42.6秒）

勒维列根据他发现海王星的经验预言，水星近日点的进动的差值是由于尚未发现的"火神星"的存在而引起的。但是，之后的数十年里，许多天文学家寻找"火神星"的努力都失败了。水星轨道近日点的差值问题成为一个谜。

爱因斯坦的广义相对论建立以后，行星绕力心太阳作束缚态运动的动力学方程考虑了因太阳引力场引起的时空背景的变化。由这样的动力学方程解得，行星的运行轨道将缓慢地在它自己的平面上旋转，轨道的长轴每个周期将发生一定的偏转，近日点和远日点的位置也不再是固定不动的了。理论计算得出，仅因这种广义相对论效应，每百年水星近日点的进动值约为43秒。这种广义相对论效应有力地解释了水星近日点进动的差值问题。勒维列的观测结果也成为广义相对论的有力实验验证之一。

理论还表明，不仅水星的轨道近日点有进动差值问题，金星、地球、小行星的轨道也有同样的差值问题，只是水星离太阳最近，差值效应最明显而最容易被观测到而已。人造卫星绕地球的运行也可以用来验证这种差值效应。虽然人造卫星的质量小，这种差值效应比较小，但是，卫星绕地球运行的周期短，也就比较容易在不太长的时间内观测到进动差值的累计效应。

2.光线在引力场中的偏折。

广义相对论的等效原理中，惯性质量是动质量M而不是静止质量M。因此，具有动质量的光子与其他静止质量不为零的粒子一样也应参与一切引力效应，光子要产生引力场也要受到引力场的作用。根据新的引力场理论，引力场中光的传播路径弯曲并不是光本身的新的性质，而是物质存在的空间的新的性质，即空间弯曲的性质，如果空间本身是弯曲的，那么，原来是直线的现象自然应纳入弯曲的"轨道"了。

1911年，爱因斯坦就预言了光线在太阳引力场中将要发生偏折的广义相对论效应，并给出0.83秒的偏折值。1914年8月，德国天文学家费罗因德利希带领观测队到俄国的克里米亚半岛，希望利用那里发生日全食的时机，验证爱因斯坦的预言。不巧，第一次世界大战爆发了，观测队被捉了起来，在交换战俘时被遣回德国，未能完成这次实验。

1915年，爱因斯坦改正了他预言的数值，提出，光线经过太阳边缘时将要偏折约1.7秒。1916年，英国天文学家爱丁顿(1882-1944)读了爱因斯坦的《广义相对论基础》，立刻认识到这一篇文章的伟大意义，决定利用1919年5月29日将要发生的日全食的机会来验证光线在引力场中的偏折效应，并推动英国皇家天文学会着手日全食观测的准备工作。是年，分别由爱丁顿和克罗姆林(1865-1939）率领的两支远征观测队到西非几内亚湾的普林西比岛和巴西的索布拉耳拍摄日全食照片，以确定恒星发出的光经越太阳引力场时是否发生了偏折。1919年11月6日英国皇家天文学会公布了两队的观测结果，它们分别是1.98±0.12秒和1.61±0.30秒。

1922年9月21日，另一支观测队在澳大利亚又进行了一次定量观测，结果是1.72±0.25秒。

1969年以后，科学工作者对类星体所作的观测实验，也都证实了这一广义相对论效应。对400颗星的观测实验给出的偏折平均值是1.89秒。

1919年的观测是一次轰动全世界的科学观测，爱因斯坦预言被证实的消息使他一夜之间成为全球的著名人物，也极大地引起人们对广义相对论的重视和兴趣。爱因斯坦创立的这样一种理论不仅能解释人们长期以来无法解释的实验事实，而且能预言非同寻常的未知现象，不能不让人惊叹其巨大的成功。

3.引力红移(光谱线的红向移动）的实验验证

水星近日点的进动差值和光线在引力场中的偏折从不同角度反映了引力场对空间的影响，特别是后者，它表明了以有限速度传播的一切物理现象在引力场的强制下进入局部弯曲的路径。这种现象描述的不是光的什么新的性质，而是有物质分布的空间所具有的未被人们认识到的性质，即有物质分布的空间本身弯曲的性质。这种性质使原来是直线的现象都要强制纳入弯曲的轨道。

引力红移是广义相对论预言的另一个效应，体现了引力场对时间(频率）的影响。广义相对论的理论指出，光线在稳定引力场中传播时，频率要发生改变，从引力场强的地方向引力场弱的地方传播，光子频率将变小，相应的波长将增加，谱线红移。这种引力红移也称相对论红移。

1925年，美国天文学家亚当斯(1876-1956)通过对天狼星伴星的观测首先验证了相对论红移。天狼星伴星与白矮星相似，是一颗密度很大的星体。它的强引力场引起的引力红移量要比太阳引力场的强得多。

列布卡和庞德还通过地球引力场中的穆斯堡尔效应，验证相对论红移。他们利用一种人造同位素冷却后发出单一频率的射线，使射线逆着地球引力场前进，并通过分析器测定其频率的变化。观测结果与广义相对论的理论推断完全一致。

广义相对论的实验验证还有雷达回波延迟，行星自转轴的进动等。广义相对论还预言，加速运动的质量如加速运动的电荷激发电磁波一样将激发引力波。但是引力波非常微弱，在目前的实验条件下是很难探测到的。世界上的许多研究组为探测引力波而努力，1969年和1978年曾有两次探测到引力波的实验报道，但因为他们的实验结果没有能被重复获得，均未得到公认。

因此，引力波探测目前仍是广义相对论实验研究的一项重要课题。

广义相对论是爱因斯坦在一种哲学思想的指引下对狭义相对论的逻辑推广，创立过程中，抽象和数学的思维分析的确发挥了巨大的作用，但是，广义相对论并不是纯思辩的产物。爱因斯坦曾反驳过这种说法，"从来没有一个真正有用的和深入的理论果真是由纯思辩去发现的，广义相对论的创立完全由于要想使物理理论尽可能适应于观察到的事实。"这些事实有引力质量和惯性质量的等价性，有实际上并不存在的惯性系以及惯性系概念循环定义的问题等。而牛顿引力理论的成就及表现出的局限性，相对性原理的发展以及1901年就已经相当成熟的非欧几何和张量分析方法等都为广义相对论发展提供了坚实的基础。

广义相对论在哲学上的重要性还在于，验证了辩证唯物主义所主张的论点：空间和时间都是运动着的物质的"存在形式"。狭义相对论把时间、空间与物质的运动联系了起来，广义相对论则揭示了时间、空间和物质分布的关系，把物质、运动、时间、空间进一步统一了起来，把物体运动的物理本质和时间空间的几何描述统一了起来，这种现代的时空理论从新的高度上否定了牛顿的绝对时空观。爱因斯坦曾向一位记者开玩笑地解释了相对论的成果，他说，如果所有东西都从世界中远离出去的话，人们过去会认为，残留下来的便是空间和时间；而现在，人们知道了单独的时间和空间根本不存在。

1955年的国际相对论会议上，德国著名物理学家玻恩(1882-1970)说："对于广义相对论的提出，我过去和现在都认为是人类思索大自然的最伟大的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。"